Oskar Schell, 11 ans, est un jeune New-Yorkais à l'imagination débordante. Un an après la mort de son père dans les attentats du World Trade Center, le jour le plus noir, selon l'adolescent, il découvre une clé dans les affaires du défunt. Déterminé à maintenir un lien avec l'homme qui lui a appris à surmonter ses plus grandes angoisses, il se met en tête de trouver la serrure qui correspond à la mystérieuse clé. Tandis qu'il sillonne la ville pour résoudre l'énigme, il croise toutes sortes d'individus qui, chacun à leur façon, sont des survivants. Chemin faisant, il découvre aussi des liens insoupçonnés avec son père qui lui manque terriblement et avec sa mère qui semble si loin de lui, mais aussi avec le monde déconcertant et périlleux qui l'entoure...

Six adolescents surentraînés sont choisis pour participer à une compétition estivale, qui leur permettra d'intégrer le U.S. Space & Rocket Center de Hunstville. Alors que la compétition bat son plein, les jeunes gens n'imaginent pas que leur ultime challenge consistera à résoudre une crise majeure à l'intérieur d'une station spatiale. Ils seront placés sous les yeux de la planète entière...